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木星是太陽係最大的行星。理論研究與(yu) 觀測都表明木衛二、木衛三與(yu) 木衛四可能具有地下鹹水海洋。鹹水海洋有利於(yu) 嗜鹽微生物生存與(yu) 進化。因此這些衛星可能存在地球之外的生物。為(wei) 了獲得這些衛星各方麵的重要性質，並確認它們(men) 是否適宜生命存在，歐洲航天局（ESA）耗時多年，終於(yu) 成功發射了“木星冰衛星探測者”（Juice）。Juice將得到這些冰衛星的地下海、地形、地質、表麵化學物質、磁場、內(nei) 部結構與(yu) 重力場等多個(ge) 方麵的詳細信息，幫助人類全麵而深入地了解這些冰冷星球，甚至為(wei) 人類找到地外生物存在的證據。

撰文 | 王善欽

2023年4月14日世界協調時12:14 分（北京時間20:14），歐洲空間局（ESA）的“木星冰衛星探測者”（Jupiter Icy Moons Explorer，Juice或JUICE）在法屬圭亞(ya) 那空間中心搭乘阿麗(li) 亞(ya) 娜5號（Ariane 5）重型運載火箭升空。【視頻請前往“返樸”觀看】

阿麗(li) 亞(ya) 娜5號火箭帶著Juice升空圖。圖片來源：
ESA/CNES/Arianespace/Optique Vidéo du CSG/JM Guillon

Juice耗資16億(yi) 歐元，其任務是探測木星係統，特別是木星的3顆最大的冰衛星：木衛二（Europa）、木衛三（Ganymede）與(yu) 木衛四（Callisto）。它們(men) 與(yu) 木衛一（Io）一起於(yu) 400多年前被伽利略（Galileo Galilei，1564-1642）與(yu) 馬裏烏(wu) 斯（Simon Marius，1573 -1625）分別獨立發現，並被後人命名為(wei) “伽利略衛星”。[注1]

木星與(yu) 它的4顆“伽利略衛星”的拚圖。上方從(cong) 左到右分別是木衛一、木衛二、木衛三與(yu) 木衛四；下方為(wei) 木星的一部分。木星、木衛一、木衛二與(yu) 木衛三由伽利略（Galileo）號探測器拍攝，木衛四由旅行者號（Voyager）探測器拍攝。圖片來源：NASA/JPL/DLR

Juice的首要任務是探測木衛三，其次是探測木衛二、木衛四與(yu) 木星，順帶探測木衛一。通過上麵攜帶的各種儀(yi) 器，Juice將深入探測這些天體(ti) 的各方麵性質。在這篇短文中，我們(men) 將介紹Juice的發展曆程、任務、儀(yi) 器等話題。

Juice（左上方）探測木星係統的藝術想象圖。右下方為(wei) 木衛三，中心為(wei) 木星；剩餘(yu) 的從(cong) 左到右分別是木衛一、木衛二、與(yu) 木衛四。圖片來源：ESA / NASA / DLR

發展曆程

Juice的源頭可追溯到2008年2月，當時美國航空航天局（NASA）與(yu) ESA決(jue) 定合作發展一個(ge) “外行星旗艦任務”（Outer Planet Flagship Mission）。2009年2月，“木衛二木星係統任務-拉普拉斯”獲得優(you) 先考慮，它將被用於(yu) 接替結束任務的 “伽利略”，繼續探測木星的冰衛星。

按照計劃，EJSM-拉普拉斯由NASA負責的“木衛二軌道器”（Jupiter Europa Orbiter，JEO）與(yu) ESA負責的“木星木衛三軌道器”（Jupiter Ganymede Orbiter，JGO）組成，二者將在2020年左右被各自獨立發射，並在數年的巡航之後，分別環繞並深入研究木衛二與(yu) 木衛三。

然而，ESA負責的JGO必須與(yu) 其他重要項目競爭(zheng) ，從(cong) 而獲得優(you) 先發射權[注2]，因此NASA為(wei) 自己負責的JEO準備了單獨發展的應急方案，因此顯得三心二意。更重要的是，兩(liang) 個(ge) 探測器並無多大的互相依賴性，雙方的合作於(yu) 2011年4月破裂，開始各自獨立發展自己的探測器。ESA將JGO改為(wei) “木星冰衛星探測者”，但依舊以探測木衛三為(wei) 首要目標。NASA的JEO則於(yu) 2015年6月被“木衛二快船”（Europa Clipper）項目取代。

2012年4月，Juice在與(yu) 另外兩(liang) 個(ge) 項目的競爭(zheng) 中勝出，此後被ESA確定為(wei) “宇宙幻境2015–2025計劃”（Cosmic Vision 2015–2025 Programme）的第一個(ge) 大級別（L級）項目。[注3]

2014年，ESA完成了對Juice的設計和目標的詳細研究。2015年7月，空中客車防務與(yu) 航天公司（Airbus Defence and Space）被選為(wei) 設計和建造Juice的主製造商，並在此後在歐洲各地製造Juice的各種硬件與(yu) 儀(yi) 器。過去幾年，Juice的部件和儀(yi) 器通過了各種測試，然後被組裝後轉移到發射場。

阿麗(li) 亞(ya) 娜5號火箭的logo。2年前，ESA向全世界的孩子征集Juice的logo，10歲的Yaryna的作品成功入選，並被畫在了火箭的上端。圖片來源：Manuel Pédoussaut/ESA

Juice的任務

按照規劃，Juice的首要任務是研究木衛三的各種特征，其次是研究木衛二、木衛四與(yu) 木星，再次則是研究木衛一以及木星的其他衛星。我們(men) 可將其任務分類如下。[1]

1、確定木衛三的地下海是否存在；如果存在，則間接研究其性質。木衛三平均半徑達到2634千米，是太陽係內(nei) 最大的衛星，其半徑比水星的平均半徑（2440千米）更大。天文學家在20世紀70年代就猜測木衛三有地下海洋。“伽利略”與(yu) 哈勃空間望遠鏡（“哈勃”）對木衛三的觀測進一步支持了木衛三擁有地下海的猜測。據估計，木衛三海水的總量可能達到地球海水總量的6-8倍，深度可達100千米，埋在150千米的冰殼下方。[2, 3]

“哈勃”觀測到的木衛三的極光的紫外線偽(wei) 色圖像與(yu) “伽利略”拍攝到的木衛三的圖像的疊加。根據極光的搖擺角度，天文學家推斷木衛三具有地下海，後者產(chan) 生的感應磁場部分阻止了因木星磁場而產(chan) 生的木衛三極光搖擺效應。圖片來源：NASA/ESA

2、研究木衛三表麵地形、地質、表麵物質的化學成分、冰層的物理性質與(yu) 稀薄大氣的性質。

3、木衛三的磁場及其與(yu) 木星磁場的相互作用。木衛三的鐵-鎳核心產(chan) 生的固有磁場（木衛三是太陽係內(nei) 唯一擁有固有磁場的衛星），與(yu) 其可能存在的地下鹹水海產(chan) 生的感應磁場都將是Juice研究的重要對象。

4、探測木衛二的地下海，並確定它們(men) 的特征。“伽利略”的磁強計的探測使天文學家推斷木衛二擁有地下鹹水海，後者產(chan) 生了感應磁場。據估計，木衛二擁有的水量可能達到地球海水總量的3倍，平均深度可能達到100千米。“哈勃”觀測到的木衛二部分區域噴發出的水羽流進一步證實木衛二確實可能擁有地下海。

“哈勃”於(yu) 2014年1月26日拍下的木衛二噴發出的水羽流的合成圖。木衛二的圖由“伽利略”及旅行者號探測器得到的數據合成而來。這次羽流噴發高度達到160千米。羽流表明木衛二下方可能有一個(ge) 水構成的海洋。圖片來源NASA, ESA, W. Sparks (STScI), and the USGS Astrogeology Science Center

5、研究木衛二的地形特征、地質特征、表麵的化學物質、非水冰物質的化學成分，確定其地質活動最活躍的部分的冰層的最小厚度。

木衛二表麵的科納馬拉亂(luan) 地（Conamara Chaos，左）及其在木衛二（右）上麵的位置。一些過程破壞了先前存在的橫切嶺。藍色代表水冰，紅棕色區域代表非水冰。這些圖像由“伽利略”在1996-1997年獲得的數據合成而來。圖片來源：NASA/JPL

6、確定木衛四是否真的有地下海，繪製木衛四表麵的地形、地質與(yu) 不同區域的表麵物質的化學成分，研究木衛四冰層的物理性質。木衛四自形成以來沒有發生地質活動，其表麵因為(wei) 隕石撞擊而留下的隕石坑都被保留著。研究木衛四的具體(ti) 的地形，對於(yu) 理解太陽係內(nei) 天體(ti) 的形成曆史有重要價(jia) 值。

“伽利略”於(yu) 2001年拍攝的木衛四。圖片來源：NASA/JPL/DLR

7、研究冰衛星內(nei) 部質量分布、動力學與(yu) 演化的特征，測量冰衛星各處的重力場。

8、測量木星磁層，研究木星磁場與(yu) 冰衛星磁場的相互作用，研究木星磁場加速過的帶電粒子對冰衛星表麵的影響。

9、在相對遠距離觀測木衛一與(yu) 木星的一些形狀不規則衛星。

Juice的任務核心之一是確認冰衛星的鹹水海的存在性並研究它們(men) （如果有）的性質。鹹水海有利於(yu) 嗜鹽微生物生存與(yu) 進化。因此Juice可能將實現人類地外探索生命方麵零的突破。

如果Juice無法找到生命存在的證據，但確認了地下海的存在並獲得它們(men) 更具體(ti) 的性質，那也是一個(ge) 重要的進步，因為(wei) 液態水給出了天體(ti) 的演化過程的重要線索之一。

木衛二冰層下方的水沿著冰層的縫隙噴發出去，形成水羽流（plume）的藝術想象圖。水羽流帶出地下海內(nei) 部的分子（molecules），來自太空的帶電粒子輻射（charged particle radiation）轟擊並分解了一部分分子。海床爆發的火山（見圖左）為(wei) 海水提供熱量。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

Juice的儀(yi) 器

Juice上麵共有10個(ge) 科學儀(yi) 器，其中3個(ge) 是光譜儀(yi) ，2個(ge) 是測繪與(yu) 遙感儀(yi) 器，2個(ge) 是粒子探測器，剩餘(yu) 的3個(ge) 儀(yi) 器分別是相機、磁強計與(yu) 雷達。

3個(ge) 光譜儀(yi) 分別是“紫外成像光譜儀(yi) ”（UV Imaging Spectrograph，UVS）、“衛星和木星成像光譜儀(yi) ”（Moons and Jupiter Imaging Spectrometer，MAJIS）、與(yu) “亞(ya) 毫米波儀(yi) 器”（Sub-millimeter Wave Instrument，SWI），觀測/工作波長分別為(wei) 55-210納米（紫外）、0.4-5.7微米（光學與(yu) 紅外）與(yu) 約0.3毫米/約0.6毫米。

UVS研究冰衛星的大氣散逸層、木星的上層大氣、木星與(yu) 其冰衛星的極光、搜尋木衛二表麵噴發出的水羽流等。MAJIS觀測木星大氣對流層中的雲(yun) 特征和微量氣體(ti) ，識別並研究木星冰衛星複雜的表麵的冰和礦物成分，並在它們(men) 的表麵尋找有機分子，確定它們(men) 是否適宜生命存在。[4]SWI研究木星的平流層和對流層，以及冰衛星的大氣散逸層和表麵。在觀測木星時，MAJIS與(yu) UVS的分辨率分別為(wei) 100千米與(yu) 250千米；在觀測木衛三時，MAJIS與(yu) UVS的分辨率分別為(wei) 最高可分別達到75米與(yu) 500米。[4]

木衛二表麵噴發出的水羽流的藝術想象圖。圖片來源：Ron Miller

2個(ge) 測繪與(yu) 遙感儀(yi) 器分別是“木衛三激光高度計”（Ganymede Laser Altimeter，GALA）與(yu) “木星和伽利略衛星的引力和地質物理”（Gravity and Geophysics of Jupiter and Galilean Moons，3GM）。前者的主要功能是通過激光測距測繪三維地形，其垂直分辨率達到10厘米；後者的主要功能是測量各處重力場、確定冰衛星地下海洋的構造、確定冰衛星大氣與(yu) 電離層結構。[4]

2個(ge) 粒子探測器分別是“粒子環境包”（Particle Environment Package，PEP）與(yu) “射電和等離子體(ti) 波研究”（Radio and Plasma Wave Investigation，RPWI）。它們(men) 被用於(yu) 直接探測中性粒子、帶電粒子以及它們(men) 發射出的射電波。

相機即“對朱庇特、他的愛情事件和後代的全麵觀測”（Jovis, the Amorum ac Natorum Undique Scrutator，JANUS）[注4]。它的觀測波長範圍為(wei) 0.36-1.1微米，具有三維成像功能，主要拍攝木衛三和木衛四表麵，分辨率最高可達2.4米。[4]

磁強計即“Juice磁強計”（Juice -Magnetometer，J-MAG）。它可以探測冰衛星的磁場，從(cong) 而確定或否定木衛三與(yu) 木衛四具有地下海洋的推斷。此外，它還可以探測木衛二及木衛三磁場與(yu) 木星磁場的相互作用。

雷達即“冰衛星探測雷達”（Radar for Icy Moons Exploration，RIME）。它的16米長的天線發射出波長約為(wei) 33米的雷達波，可以穿透冰表麵下方9千米深處，然後反射回去再被天線接收。通過穿透與(yu) 反射，可以獲得冰衛星表麵下方9千米內(nei) 的冰層結構，其垂直分辨率最高可達30米。[4]

RIME由NASA的噴氣推動實驗室（JPL）與(yu) 意大利航天局（ASI）合作研發，前者提供雷達的發射器、接受器與(yu) 電子元件。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

除了以上10個(ge) 儀(yi) 器之外，Juice的天線還可以將特定信號傳(chuan) 輸出去，地球上的甚長基線幹涉測量儀(yi) （Very Long Baseline Interferometry，VLBI）接收這些信號，精確測量木星及其冰衛星的重力場，這就是“行星無線電幹涉儀(yi) 和多普勒實驗”（Planetary Radio Interferometer and Doppler Experiment，PRIDE）。

Juice的10個(ge) 儀(yi) 器的位置分布圖，黑色方塊為(wei) 電池帆板。圖片來源：ESA

由於(yu) 采用了先進的技術，這10個(ge) 儀(yi) 器非常輕巧，總質量隻有104千克。[3]

Juice使用太陽能電池帆板產(chan) 生電能，為(wei) 儀(yi) 器提供工作電源，它工作時的功率達到820瓦。在木星軌道附近，太陽的照射強度僅(jin) 為(wei) 地球附近的約4%，為(wei) 了獲得充足電源，不僅(jin) 要求電池性能非常好，還要求電池帆板麵積非常大——它的麵積約為(wei) 85平方米。[5]

除了儀(yi) 器與(yu) 電池之外，另一個(ge) 重要的部件是導航設備。它精確引導探測器沿著預定路線前進。

運行路徑

為(wei) 了節省火箭燃料並提高速度，Juice將使用此前被廣泛使用的引力彈弓（引力助推）技術，借助行星的巨大引力來提升速度。按照計劃，它將在2024年8月飛掠地球-月球係統，在2025年8月31日飛掠金星，在2026年9月29日與(yu) 2029年1月18日第1次與(yu) 第2次飛掠地球。[4]

經過這幾次飛掠，Juice將獲得足夠高的速度，前往木星。在前進途中，它可能於(yu) 2029年10月15日順路飛掠小行星223 Rosa，[4]對其進行近距離探測。

Juice軌道示意圖，圖下方的直線上的時間節點從(cong) 左到右依次是：發射、飛掠地月係統、飛掠金星、第1次飛掠地球、第2次飛掠地球、到達木星、探測木星係統並完成35次飛掠、環繞木衛三。圖片來源：ESA

按照計劃，經過8年的巡航後，Juice將在2031年7月開始進入木星係統，並通過機動與(yu) 引力木星衛星的彈弓效應實現變軌，進入環繞木星的軌道，經過約3.5年環繞探測後，它將於(yu) 2034年12月脫離木星軌道，前往木衛三。

在完成這些飛掠之後，Juice開始進入環繞木衛三的軌道，從(cong) 而成為(wei) 木衛三軌道器。這也將使它成為(wei) 第一個(ge) 圍繞月亮之外的天然衛星公轉的探測器。

朱諾（Juno）號木星探測器於(yu) 2021年6月7日拍攝的木衛三圖像。圖片來源：
NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS

在剛環繞木衛三時，Juice的軌道平均半徑很大（5000千米），此後多次變軌之後，其軌道將成為(wei) 圓形，且距離木衛三表麵的高度將隻有500千米。

從(cong) 進入木星係統到低空環繞木衛三，Juice在整個(ge) 過程中飛掠木衛二、木衛三、木衛四共35次，[5]對這3顆冰衛星進行近距離探測。加上進入木星之前為(wei) 了實現引力彈弓而進行的幾次飛掠，Juice要進行約40次機動，以完成這些飛掠操作。這些機動將耗費大量推進劑，因此Juice攜帶的推進劑的質量約為(wei) 3000千克。[6]

在500千米的軌道上，Juice將繞木衛三公轉大約1年（至少9個(ge) 月）。[7]如果到時還有剩餘(yu) 的推進劑，它將繼續變軌，使環繞高度降低到200千米。推進劑耗盡之後，Juice將在2035年底撞擊木衛三。這些近距離環繞以及最後撞擊之前的接近過程，都將使Juice能以前所未有的分辨率觀測木衛三。

天文學家提出的木衛三的結構模型。根據理論推斷，木衛三從(cong) 內(nei) 到外依次是富含鐵的固態核心、富含鐵與(yu) 硫化物的液態核心、岩石幔、深層冰（因為(wei) 壓強過大而成為(wei) VI型正方冰——tetragonal ice）、液態海洋與(yu) 外層冰（普通的Ih型六角冰——hexagonal ice）。木衛四表麵分布著隕石坑（crater）、溝槽（grooves）、亮地（light terrain）與(yu) 暗地（dark terrain）。圖片來源：Kelvinsong

探測木星冰衛星的組合拳

如果進展順利，Juice將大大提升人類對木衛三的各方麵性質的理解，提升人類對木衛二、木衛四與(yu) 木星的一些性質的理解。在最樂(le) 觀的情況下，它甚至有可能獲得木星冰衛星存在生命的證據。

將於(yu) 2024年升空的木衛二快船會(hui) 在2030年（比Juice更早1年）到達木星係統，它將通過多次近距離飛掠的模式（沒有環繞模式，因為(wei) 木星在木衛二軌道處的磁場太強烈）詳細觀測木衛二，並與(yu) 稍後到達的Juice互相配合，互相提供經驗，並比較數據。

此外，我國正在籌劃的“天問四號”項目也以木星及其冰衛星作為(wei) 主要探測目標。如果它通過立項，將有可能在2029年升空，其主探測器將於(yu) 2035年到達木星，並成為(wei) 環繞木衛四的軌道器，獲取木衛四的各種細節信息。

如果Juice、木衛二快船與(yu) 天問四號都能成功實現目標，那人類對木星冰衛星的各種性質的認識將得到全麵的提升。

我們(men) 祝福它們(men) 都大獲成功。

注釋

[注1]伽利略衛星是木星的最大的4顆衛星。由於(yu) 伽利略比馬裏烏(wu) 斯更早公布自己對木星4顆衛星的觀測結果而使它們(men) 被稱為(wei) “伽利略衛星”。席澤宗院士於(yu) 1981年的論文中指出，中國戰國時期著名天文學家甘德可能在2000多年前就觀測到木衛三（“歲星在子，……若有小赤星附於(yu) 其側(ce) ，是謂同盟”）。不過，文獻中描述甘德發現的這顆星為(wei) 紅色星（“小赤星”），這是令人費解的，因為(wei) 這麽(me) 暗的星無法被分辨出顏色。因此，這個(ge) 疑似的發現尚未獲得公認。

[注2]這對於(yu) 行星探測器極為(wei) 重要，因為(wei) 這類探測器有一定的時間窗，錯過後就要等很多年。

[注3]“宇宙幻境2015–2025計劃”是ESA的一個(ge) 龐大的空間項目群項目，其中的探測器被分為(wei) 小（S）、中等（M）與(yu) 大（L）三個(ge) 等級。L級僅(jin) 有3個(ge) 項目，Juice是其中的第一個(ge) （L1）。

[注4]木星英文名Jupiter=古羅馬神話中的神朱庇特=古希臘神話中的宙斯，馬裏烏(wu) 斯以古希臘神話中宙斯的情人伊奧（Io），歐羅巴（Europa），伽尼米德（Ganymede）與(yu) 卡利斯托（Callisto）來分別命名木星衛星。

參考文獻

[1]https://sci.esa.int/web/juice/-/50068-science-objectives

[2]https://www.nasa.gov/press/2015/march/nasa-s-hubble-observations-suggest-underground-ocean-on-jupiters-largest-moon

[3]https://www.planetary.org/space-missions/juice

[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Jupiter_Icy_Moons_Explorer

[5]https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Juice

[6]https://sci.esa.int/web/juice/-/61498-juice-inner-structure

[7]https://www.nature.com/articles/d41586-023-01256-x

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